[发明专利]一种稀土系T/EBC陶瓷基复合环境障涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及环境障涂层制备技术领域，具体涉及一种长寿命、低导热稀土系T/EBC陶瓷基复合环境障涂层及其制备方法。

背景技术

提高涡轮叶片、隔热屏、尾喷管等航空发动机关键热端构件材料的耐超高温性能，是满足研制高推重比、大推力、低油耗先进航空发动机的重要前提。目前，我国某型航空发动机热端构件基本为高温合金材料，此类材料的最大容限温度只有1130℃左右，并且其具有的高密度特点已经严重限制了其在可靠高温结构材料上的应用，难以继续适应推重比达15～20的大推力、高推重比的高性能航空发动机的任务需求。寻求耐超高温、轻质的陶瓷基复合材料成为解决这一问题的重要突破口。

以Si₃N₄、SiC、C/SiC、SiC/SiC为代表的硅基结构陶瓷及其复合材料具有优异的物理性能和高温力学性能，在航空发动机的高温热端部件上展示出了巨大的应用潜力。在干燥环境下具有良好力学稳定性的硅基结构陶瓷，然而其在发动机高温湿氧环境中的表面稳定性不足，易与水蒸汽等反应生成挥发性的产物造成陶瓷表面结构退化、尺寸减小。因此，在硅基非氧化物陶瓷表面涂敷或沉积环境障涂层(Environmental Barrier Coating，简称EBC)，阻止腐蚀性气氛和陶瓷基体的接触成为提高陶瓷基体的表面稳定性一条重要的可行途径。但是当前EBC还普遍存在耐高温冲刷性性能不足，最大容限温度过低的问题。着眼于未来新型航空发动机更大推重比(15～20)的性能要求，提出发展和应用耐高温性能更高(>1650℃)的热防护涂层成为至关重要的科研课题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种稀土系T/EBC陶瓷基复合环境障涂层及其制备方法，以提高复合环境障涂层的界面强度、断裂韧性和硬度，显著延长涂层使用寿命，降低涂层导热系数，使SiC_f/SiC陶瓷基体在1900K以上的高温环境下多周次循环使用后能保持综合性能稳定。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种陶瓷基复合环境障涂层，包括陶瓷基体和复合环境障涂层，复合环境障涂层由内到外依次包括抗水氧腐蚀层、化学阻挡层、能量耗散层和热防护屏蔽层，抗水氧腐蚀层制备在陶瓷基体的表面；其中，抗水氧腐蚀层包括莫来石层和硅酸镥层，莫来石层的材料包括莫来石，硅酸镥层的材料包括硅酸镥；化学阻挡层的材料包括氮化锆；能量耗散层的材料包括钇铝石榴石；热防护屏蔽层的材料包括锆酸镧。

在本发明的进一步实施方式中，莫来石层制备在陶瓷基体的表面，硅酸镥层制备在莫来石层的表面；其中，莫来石层的厚度为50～90μm，硅酸镥层的厚度为50～90μm；化学阻挡层的厚度为4～12μm，孔隙率小于3％；能量耗散层的厚度为30～60μm，孔隙率为20％～30％；热防护屏蔽层厚度为80～140μm；陶瓷基体的材料为碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。

第二方面，本发明提供了一种陶瓷基复合环境障涂层的制备方法，包括如下步骤：S101：采用大气等离子喷涂法，在SiC_f/SiC陶瓷基体表面依次制备莫来石层和硅酸镥层；S102：采用低压等离子喷涂法，在硅酸镥层的表面制备化学阻挡层；S103：采用气罩等离子喷涂法，在化学阻挡层的表面制备能量耗散层；S104：采用大气等离子喷涂法，在能量耗散层的表面制备热防护屏蔽层，得到陶瓷基复合环境障涂层。需要说明的是，在陶瓷基体表面制备莫来石层前，优选分别采用丙酮、酒精和去离子水对基体层进行表面超声处理，除去基体表面的杂质、细碎颗粒和有机污染物。